双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计
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1/2 μs。
对于移相精度，半周期对应的电角度为 180°。理论
上最小移相精度误差为：
η min = 180°
1 T/T
cy
2
（1）
·45 ·
相控制角分别为 α =10 ° 、 α =90 ° 、 α =170 ° 下的实验
波形，可以看出在不同的输出设定下，控制器均能够准
能够实现移相精准、可靠性高的数字化移相触发控制器[4-5]。
在晶闸管触发电路由模拟电路向数字电路的发展过
程中，数字化不仅可以提高系统的精度，而且能够提高
系统的抗干扰能力，还符合当前技术发展由模拟向数字
化转变的趋势。
基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目 （编号：Q20191804）
收稿日期：2020－12－16
控整流电路的作用下进行整流，滤波后经过共射极三极管
开关电路将脉动的直流电信号转换成脉冲波信号，供
MCU进行过零信号的检测。其具体的转换过程如图3所示。
零时刻点、根据设定的输出要求对移相相角进行实时运
算处理，得出触发脉冲的触发时刻点并输出触发脉冲信
号。程序整体流程如图 4 所示。
图4
数字式移相触发器总体流程
反馈下的闭环稳定输出单元；控制器在外部设定的作用
下通过运算计算出触发控制角，生成宽脉冲移相信号，
在交流同步信号的作用下输出，经过驱动放大后驱动双
向晶闸管[8-9]。其具体的系统框架如图 1 所示。
图1
数字化移相控制器系统
2021 年 06 月
机 电 工 程 技 术
图2
第 50 卷 第 06 期
数字化移相控制器硬件电路原理
实现控制电路与主电路的信号隔离，驱动信号在隔离电
（6） 交流信号相位同步检测模块：对交流信号的实
源的作用下驱动双向晶闸管，实现主电路的交流电移相
时状态进行同步检测，初始相位的定位，获取瞬时状态
输出。
值用于后续脉冲输出的判定。
3 软件设计
移相软件部分主要是通过监测交流同步信号获取过
（7） 移相脉冲输出模块：根据同步检测模块提供的
内容。一方面是对程序的优化设计，通过灵活的应用单
图6
（c） 移相控制角 α =170 °
双向移相脉冲输出测试波形
片机片上资源以及程序合理的布置来实现。另一方面则
示波器中黄色曲线显示为正常的交流信号；蓝色曲
是提高运行主频来获取更高的执行效率。考察所选用单
线显示为经过控制器移相控制后的输出波形。通过在移
片机的主频段，选择 fosc=24 MHz 是较为理想的频率，配
合该单片机能以 1 T 高速模式工作，相当于传统单片机
下的 fosc=288 MHz 工作频率。在该频率下运行，既能保
证触发脉冲移相角的精度，又能兼顾单片机其他任务
的处理。此时，主频运行在 1 T 模式下则有机器周期
Tcy=1/24 μs，定时器工作在 12 T 模式下则有定时基准 Tt=
偿处理[12]。
4.2 移相电角度精度
移相电角度的精度与频率关系紧密。我国交流电的
频率为 f=50 Hz，对应的周期 T=20 ms。根据 2.2 节中对交
流信号整流与整形模块的设计，双向晶闸管在正负半轴
上属于对称触发形式，因此只要通过对半周期的控制，
（a） 移相控制角 α =10 °
（b） 移相控制角 α =90 °
即可实现全周期的输出。另一方面是单片机运行频率，
在设计中采用外部中断方式获取过零时刻点，通过定时
器的实时计数来获取实时相角数据，在主程序中根据设
定的输出计算对应的移相电角度并转换为定时器的对应
计数值，通过比较定时器实时值与设定计数值，在规定
范围内发出触发脉冲。
通过分析，移相电角度的输出精度来自于两方面的
代入相关数据， η min = 0.000 75° 。实际中，单片机
是利用查询的方式实现对实时相位状态数据的捕捉，优
化后的主程序运行周期为 T1≈100 μs。则实际的最大移
相精度误差为：
η max = 180°
（2）
1 T/T
2 1
代入相关数据， η max = 1.8° 。取两者的平均值作为移
相精度的平均误差，其值为 ηave ≈0.9° 。
输出相位相对输入相位而言存在一定的滞后偏移，对移
相触发脉冲同步信号有轻微的影响。在精度要求不高的
应用场合可以忽略不计，对于精度要求较高的场合，
不对称度，而该特性对于电路和负载均是及其有利的。
5 测试结果分析
根据设计的软硬件内容，在实验室条件下开展测
试，其输出波形如图 6 所示。
则需要借助闭环反馈控制，通过软件算法实现输出补
high precision and good symmetry, which solves the shortcomings of the traditional flip-flop.
Key words: trigger circuit; phase shift trigger; MCU; AC zero crossing detection; isolation driving
机
第 50 卷
第 06 期
电 工 程
技 术
MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY
Vol.50 No.06
DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2021. 06. 011
魏海波，梅建伟，刘杰. 双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计 ［J］ . 机电工程技术，2021，50 （06）：43-45.
虽然模拟式触发器技术已经较为成熟，但采用分立元件搭
建，存在器件参数分散、温漂现象严重、产生的脉冲对称
性差、可靠性差等一系列缺点[2-3]，在谐波的干扰作用下更
是严重影响控制器的实用性。数字电路的发展为解决这些问
题带来了契机：利用嵌入式微处理器配合简洁的硬件处理电
路，通过微处理器超强的运算处理能力以及抗干扰性能，
围内时采用极限值替代。
最小系统。
（5） 移相脉冲触发角前后沿计算模块：将计算出来
2.4 隔离驱动模块
的电角度转换成单片机定时器下的实际移相计数器值，
控制器是整个系统的核心，需要确保其运行的可靠
性和安全性。采用高速光耦 6N136 作为信号隔离器件，
同时对脉冲宽度进行预给定，可以在一定程度上减小驱
动电路的输出功率。
各模块作用说明如下。
（1） CPU 初始化模块：用于对所使用的单片机片上
资源进行上电配置，使其满足后续的功能要求。
（2） 频率监测模块：用于监控交流电频率异常，主
要针对严重谐波干扰下的频率状态故障诊断，严重时封
锁移相脉冲输出。
（3） 设定输出电角度计算模块：通过外部来的设定
图3
输出要求，通过微处理器的计算转换为移相输出控制电
双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计*
魏海波，梅建伟，刘
杰
（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院， 湖北十堰
442002）
摘要：针对晶闸管模拟式移相触发电路存在的精度低、对称性差、抗干扰性弱等问题，设计并研制了适用于双向晶闸管的数字化
移相触发控制器。该控制器采用单片机作为主控单元，设计了相应的单片机最小系统、交流过零检测电路以及脉冲隔离驱动放大
0 引言
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置
在电力系统、工业、交通等众多领域中的应用日益广
泛，由此带来的谐波问题越来越严重 [1]，谐波对电网和
用电设备都有着或多或少的危害；对于采用相控方式控
制的设备尤其严重，轻则导致设备工作异常，重则引起
设备的损坏，引发严重事故。
传统的晶闸管控制器多采用模拟式脉冲触发电路，
电路等。利用单片机的高速运行特性实时检测交流信号，在控制信号的作用下对触发脉冲进行移相处理，相控式驱动双向晶闸
管，从而满足控制对象的应用需求。实验表明，所设计的数字化移相触发器具有抗干扰特性好、工作稳定等特点，解决了传统触
发器存在的不足。
关键词：触发电路；移相触发；单片机；交流过零检测；隔离驱动
中图分类号：TN344
2 硬件电路设计
系统硬件电路如图 2 所示。
2.1 辅助电源
辅助电源取自市电，在变压器隔离、降压后，通过
二极管不控整流电路进行整流，经稳压滤波后在线性稳
压 LDO 芯片作用下得到低压稳压电源，提供控制系统及
各外围电路模块的电源供应。
2.2 同步信号整形模块
同样，市电经过变压器隔离、降压后，在二极管不
·43 ·
1 系统框架
本设计中，采用宏晶公司出品的 8 位单片机
STC15W408AS 作为移相控制器的主控单元，完成逻辑判
定、数据处理以及信号输出、封锁与保护等功能；利用
交流同步整形电路实现交流信号由正弦波向矩形波的转
变，以便于控制器检测交流信号的过零点并诊断交流信
号频率[6-7]；按键电路和反馈采样电路构成控制器设定和
Abstract: Aiming at the problems of low precision and poor symmetry in analog phase-shift trigger circuit of thyristor, a digital phase-shifting
trigger controller suitable for bidirectional thyristor was designed and developed. The controller used single-chip microcomputer(MCU) as the
实时值进行对比，在移相范围内提供脉冲的输出。
·44 ·
魏海波，等：双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计
4 移相过程
4.1 变压器相角影响
变压器作为电磁耦合元件，通过激励侧、感应侧绕
组线圈之间的耦合来传递能量，其本质为 2 个或者多个
相互耦合的电感元件，二级侧绕组经过归一化到一次侧
后，其 T 型等效电路如图 5 所示[10-11]。
main control unit, and designed the corresponding minimum system of MCU, AC zero crossing detection circuit, pulse isolation driving
amplifier circuit, etc. The AC signal was detected in real time by using the high-speed characteristic of MCU, and the trigger pulse was
文章编号：1009－9492 ( 2021 ) 06－0043－03
文献标志码：A
Design of Digital Phase Shift Trigger Controller for Bidirectional Thyristor
Wei Haibo，Mei Jianwei，Liu Jie
（School of Electrical & information Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan, Hubei 442002, China）
processed by phase-shifting under the control signal, and the bidirectional thyristor was driven by chopping control mode, so as to meet the
application requirements of the control object. The experimental results show that the digital phase-shift flip-flop has the characteristics of
交流信号同步整形
角度。
2.3 控制器模块
（4） 移相范围判定模块：面对使用变压器带来的相
采用宏晶公司 15 系列单片机众多型号中性价比较高
位滞后以及防止移相角度不合适带来的输出品质不佳问
的 STC15W408AS，该 MCU 内部自带稳定性好且频率可
题，设定移相范围，当移块，只需要配合复位电路即可构成单片机
采用模拟电路搭建的移相触发电路，其移相精度误
差可以高达 2°~3°，本设计中采用的数字化的移相触发器
平均移相精度误差只有不到 1°。相比采用模拟电路搭建
图5
的移相电路可以提高 3.5 倍左右的精度，不仅减轻了电路
变压器 T 型等效电路
的复杂程度降低了故障率，而且减小了正负半轴脉冲的
从 T 型等效电路可以看出，交流电经过变压器后，
对于移相精度，半周期对应的电角度为 180°。理论
上最小移相精度误差为：
η min = 180°
1 T/T
cy
2
（1）
·45 ·
相控制角分别为 α =10 ° 、 α =90 ° 、 α =170 ° 下的实验
波形，可以看出在不同的输出设定下，控制器均能够准
能够实现移相精准、可靠性高的数字化移相触发控制器[4-5]。
在晶闸管触发电路由模拟电路向数字电路的发展过
程中，数字化不仅可以提高系统的精度，而且能够提高
系统的抗干扰能力，还符合当前技术发展由模拟向数字
化转变的趋势。
基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目 （编号：Q20191804）
收稿日期：2020－12－16
控整流电路的作用下进行整流，滤波后经过共射极三极管
开关电路将脉动的直流电信号转换成脉冲波信号，供
MCU进行过零信号的检测。其具体的转换过程如图3所示。
零时刻点、根据设定的输出要求对移相相角进行实时运
算处理，得出触发脉冲的触发时刻点并输出触发脉冲信
号。程序整体流程如图 4 所示。
图4
数字式移相触发器总体流程
反馈下的闭环稳定输出单元；控制器在外部设定的作用
下通过运算计算出触发控制角，生成宽脉冲移相信号，
在交流同步信号的作用下输出，经过驱动放大后驱动双
向晶闸管[8-9]。其具体的系统框架如图 1 所示。
图1
数字化移相控制器系统
2021 年 06 月
机 电 工 程 技 术
图2
第 50 卷 第 06 期
数字化移相控制器硬件电路原理
实现控制电路与主电路的信号隔离，驱动信号在隔离电
（6） 交流信号相位同步检测模块：对交流信号的实
源的作用下驱动双向晶闸管，实现主电路的交流电移相
时状态进行同步检测，初始相位的定位，获取瞬时状态
输出。
值用于后续脉冲输出的判定。
3 软件设计
移相软件部分主要是通过监测交流同步信号获取过
（7） 移相脉冲输出模块：根据同步检测模块提供的
内容。一方面是对程序的优化设计，通过灵活的应用单
图6
（c） 移相控制角 α =170 °
双向移相脉冲输出测试波形
片机片上资源以及程序合理的布置来实现。另一方面则
示波器中黄色曲线显示为正常的交流信号；蓝色曲
是提高运行主频来获取更高的执行效率。考察所选用单
线显示为经过控制器移相控制后的输出波形。通过在移
片机的主频段，选择 fosc=24 MHz 是较为理想的频率，配
合该单片机能以 1 T 高速模式工作，相当于传统单片机
下的 fosc=288 MHz 工作频率。在该频率下运行，既能保
证触发脉冲移相角的精度，又能兼顾单片机其他任务
的处理。此时，主频运行在 1 T 模式下则有机器周期
Tcy=1/24 μs，定时器工作在 12 T 模式下则有定时基准 Tt=
偿处理[12]。
4.2 移相电角度精度
移相电角度的精度与频率关系紧密。我国交流电的
频率为 f=50 Hz，对应的周期 T=20 ms。根据 2.2 节中对交
流信号整流与整形模块的设计，双向晶闸管在正负半轴
上属于对称触发形式，因此只要通过对半周期的控制，
（a） 移相控制角 α =10 °
（b） 移相控制角 α =90 °
即可实现全周期的输出。另一方面是单片机运行频率，
在设计中采用外部中断方式获取过零时刻点，通过定时
器的实时计数来获取实时相角数据，在主程序中根据设
定的输出计算对应的移相电角度并转换为定时器的对应
计数值，通过比较定时器实时值与设定计数值，在规定
范围内发出触发脉冲。
通过分析，移相电角度的输出精度来自于两方面的
代入相关数据， η min = 0.000 75° 。实际中，单片机
是利用查询的方式实现对实时相位状态数据的捕捉，优
化后的主程序运行周期为 T1≈100 μs。则实际的最大移
相精度误差为：
η max = 180°
（2）
1 T/T
2 1
代入相关数据， η max = 1.8° 。取两者的平均值作为移
相精度的平均误差，其值为 ηave ≈0.9° 。
输出相位相对输入相位而言存在一定的滞后偏移，对移
相触发脉冲同步信号有轻微的影响。在精度要求不高的
应用场合可以忽略不计，对于精度要求较高的场合，
不对称度，而该特性对于电路和负载均是及其有利的。
5 测试结果分析
根据设计的软硬件内容，在实验室条件下开展测
试，其输出波形如图 6 所示。
则需要借助闭环反馈控制，通过软件算法实现输出补
high precision and good symmetry, which solves the shortcomings of the traditional flip-flop.
Key words: trigger circuit; phase shift trigger; MCU; AC zero crossing detection; isolation driving
机
第 50 卷
第 06 期
电 工 程
技 术
MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY
Vol.50 No.06
DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2021. 06. 011
魏海波，梅建伟，刘杰. 双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计 ［J］ . 机电工程技术，2021，50 （06）：43-45.
虽然模拟式触发器技术已经较为成熟，但采用分立元件搭
建，存在器件参数分散、温漂现象严重、产生的脉冲对称
性差、可靠性差等一系列缺点[2-3]，在谐波的干扰作用下更
是严重影响控制器的实用性。数字电路的发展为解决这些问
题带来了契机：利用嵌入式微处理器配合简洁的硬件处理电
路，通过微处理器超强的运算处理能力以及抗干扰性能，
围内时采用极限值替代。
最小系统。
（5） 移相脉冲触发角前后沿计算模块：将计算出来
2.4 隔离驱动模块
的电角度转换成单片机定时器下的实际移相计数器值，
控制器是整个系统的核心，需要确保其运行的可靠
性和安全性。采用高速光耦 6N136 作为信号隔离器件，
同时对脉冲宽度进行预给定，可以在一定程度上减小驱
动电路的输出功率。
各模块作用说明如下。
（1） CPU 初始化模块：用于对所使用的单片机片上
资源进行上电配置，使其满足后续的功能要求。
（2） 频率监测模块：用于监控交流电频率异常，主
要针对严重谐波干扰下的频率状态故障诊断，严重时封
锁移相脉冲输出。
（3） 设定输出电角度计算模块：通过外部来的设定
图3
输出要求，通过微处理器的计算转换为移相输出控制电
双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计*
魏海波，梅建伟，刘
杰
（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院， 湖北十堰
442002）
摘要：针对晶闸管模拟式移相触发电路存在的精度低、对称性差、抗干扰性弱等问题，设计并研制了适用于双向晶闸管的数字化
移相触发控制器。该控制器采用单片机作为主控单元，设计了相应的单片机最小系统、交流过零检测电路以及脉冲隔离驱动放大
0 引言
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置
在电力系统、工业、交通等众多领域中的应用日益广
泛，由此带来的谐波问题越来越严重 [1]，谐波对电网和
用电设备都有着或多或少的危害；对于采用相控方式控
制的设备尤其严重，轻则导致设备工作异常，重则引起
设备的损坏，引发严重事故。
传统的晶闸管控制器多采用模拟式脉冲触发电路，
电路等。利用单片机的高速运行特性实时检测交流信号，在控制信号的作用下对触发脉冲进行移相处理，相控式驱动双向晶闸
管，从而满足控制对象的应用需求。实验表明，所设计的数字化移相触发器具有抗干扰特性好、工作稳定等特点，解决了传统触
发器存在的不足。
关键词：触发电路；移相触发；单片机；交流过零检测；隔离驱动
中图分类号：TN344
2 硬件电路设计
系统硬件电路如图 2 所示。
2.1 辅助电源
辅助电源取自市电，在变压器隔离、降压后，通过
二极管不控整流电路进行整流，经稳压滤波后在线性稳
压 LDO 芯片作用下得到低压稳压电源，提供控制系统及
各外围电路模块的电源供应。
2.2 同步信号整形模块
同样，市电经过变压器隔离、降压后，在二极管不
·43 ·
1 系统框架
本设计中，采用宏晶公司出品的 8 位单片机
STC15W408AS 作为移相控制器的主控单元，完成逻辑判
定、数据处理以及信号输出、封锁与保护等功能；利用
交流同步整形电路实现交流信号由正弦波向矩形波的转
变，以便于控制器检测交流信号的过零点并诊断交流信
号频率[6-7]；按键电路和反馈采样电路构成控制器设定和
Abstract: Aiming at the problems of low precision and poor symmetry in analog phase-shift trigger circuit of thyristor, a digital phase-shifting
trigger controller suitable for bidirectional thyristor was designed and developed. The controller used single-chip microcomputer(MCU) as the
实时值进行对比，在移相范围内提供脉冲的输出。
·44 ·
魏海波，等：双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计
4 移相过程
4.1 变压器相角影响
变压器作为电磁耦合元件，通过激励侧、感应侧绕
组线圈之间的耦合来传递能量，其本质为 2 个或者多个
相互耦合的电感元件，二级侧绕组经过归一化到一次侧
后，其 T 型等效电路如图 5 所示[10-11]。
main control unit, and designed the corresponding minimum system of MCU, AC zero crossing detection circuit, pulse isolation driving
amplifier circuit, etc. The AC signal was detected in real time by using the high-speed characteristic of MCU, and the trigger pulse was
文章编号：1009－9492 ( 2021 ) 06－0043－03
文献标志码：A
Design of Digital Phase Shift Trigger Controller for Bidirectional Thyristor
Wei Haibo，Mei Jianwei，Liu Jie
（School of Electrical & information Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan, Hubei 442002, China）
processed by phase-shifting under the control signal, and the bidirectional thyristor was driven by chopping control mode, so as to meet the
application requirements of the control object. The experimental results show that the digital phase-shift flip-flop has the characteristics of
交流信号同步整形
角度。
2.3 控制器模块
（4） 移相范围判定模块：面对使用变压器带来的相
采用宏晶公司 15 系列单片机众多型号中性价比较高
位滞后以及防止移相角度不合适带来的输出品质不佳问
的 STC15W408AS，该 MCU 内部自带稳定性好且频率可
题，设定移相范围，当移块，只需要配合复位电路即可构成单片机
采用模拟电路搭建的移相触发电路，其移相精度误
差可以高达 2°~3°，本设计中采用的数字化的移相触发器
平均移相精度误差只有不到 1°。相比采用模拟电路搭建
图5
的移相电路可以提高 3.5 倍左右的精度，不仅减轻了电路
变压器 T 型等效电路
的复杂程度降低了故障率，而且减小了正负半轴脉冲的
从 T 型等效电路可以看出，交流电经过变压器后，